Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Página 1
República de Cuba Ministerio de Educación Superior Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa
Dr. Antonio Núñez Jiménez Facultad de Metalurgia - Electromecánica
Departamento de Metalurgia
Validación del cálculo de fallas en líneas
de transmisión de energía eléctrica.
Trabajo de Diploma en opción
al título de Ingeniero Eléctrico
Yusnier de Zayas Rodríguez
Moa, 2011
2 República de Cuba
Ministerio de Educación Superior Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa
Dr. Antonio Núñez Jiménez Facultad de Metalurgia - Electromecánica
Departamento de Metalurgia
Validación del cálculo de fallas en líneas
de transmisión de energía eléctrica.
Trabajo de Diploma en opción
al título de Ingeniero Eléctrico
Autor:
Yusnier de Zayas Rodríguez
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Declaración de Autoridad.
Autor de este Trabajo de Diploma titulado: Validación del cálculo de fallas en líneas de
transmisión de energía eléctrica, certifico su propiedad intelectual a favor del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez, el cual podrá hacer uso del
mismo con la finalidad que estime conveniente.
____________________ ___________________
(Diplomante) (Tutores)
Yusnier de Zayas Rodríguez
Ing. Homero William Gamoneda Ing. Adol Hernández Rojas4
Pensamiento
”Mientras no seamos un pueblo realmente ahorrativo, sepamos
emplear con sabiduría y con responsabilidad cada recurso, no nos
podemos llamar un pueblo eternamente revolucionario”.
5
Dedicatoria
6
Agradecimientos
7
Resumen
En el presente trabajo se utilizan nuevos métodos de cálculo utilizando el software matlab
para la localización de fallas en líneas de transmisión, comparándolos con los datos
obtenidos por el relee de protección de distancia, se analizan los principales temas que
estén relacionados con la localización de fallas, y se analizan una base de datos de las
líneas Holguín Nuevitas 1 y Holguín Nuevitas 2 para determinar la eficiencia de los
métodos. El trabajo se estructuró en tres capítulos encabezados por una introducción
general donde se plantea el problema de la investigación y la metodología necesaria para
realizar la investigación.
En el primer capítulo se realizó un estudio del arte de las principales fallas que ocurren en
las líneas de transmisión, los dispositivos encargados de la protección y localización de
las mismas y los métodos que utilizan estos dispositivos para realizar estos cálculos.
En el segundo capítulo se describieron las líneas y las protecciones actualmente
instaladas y sus aplicaciones. Se utilizó el programa hecho en MATLAB para estimar la
distancia por diferentes métodos, para compararlos con el cálculo hecho por el relé.
En el tercer capítulo se analizaron los resultados, se proponen la forma de utilización de
los métodos y se realizó una valoración económica donde se exponen los beneficios de la
utilización de estos métodos.
Por último se plantearon las conclusiones generales y las recomendaciones necesarias
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Summary
Presently work is utilized new methods of calculation utilizing the software matlab for the
localization of flaws in lines of transmission, comparing them with the facts gotten by the
relee of protection of distance, the principal topics are analyzed that they are related with
the localization of flaws, and they are analyzed a base of datas of the lines Holguín
Nuevitas 1 and Holguín Nuevitas 2 in order to determine the efficiency of the methods.
The work was structured in three chapters headed by a general introduction where
you/he/she/it are expounded the problem of the investigation and the necessary
methodology in order to carry out the investigation.
In the first chapter was carried out a study of the art of the principal flaws that they occur in
the lines of transmission, the taken it upon to devices the protection and localization of the
same and the methods that they utilize these devices in order to carry out these
calculations.
In the second chapter were described the lines and the protection now installed and their
applications. The done program in MATLAB was utilized in order to esteem the distance
for several methods, in order to compare them with the done calculation for the relee. In
the third chapter the outputs were analyzed, they propose the form of utilization of the
methods and were carried out an economical valuation where the benefits of the utilization
of these methods are exposed.
Lastly they were expounded the general conclusions and the necessary recommendations
Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Página I
Índice
Declaración de Autoridad. ... 3
Introducción general ... 1
Problema. ... 2
Hipótesis. ... 2
Objetivo general. ... 2
Objetivos específicos. ... 2
Objeto de estudio. ... 2
Campo de acción. ... 2
Tareas Propuestas. ... 3
Capítulo I: Marco Teórico Referencial de la investigación ... 5
1.1 Introducción ... 5
1.2 Subestaciones eléctricas ... 5
1.3 La red de transporte de energía eléctrica. ... 5
1.3.1 Líneas de transmisión. ... 7
1.4 Generalidades sobre las protecciones eléctricas ... 9
1.4.1 Protección en las líneas de transmisión ... 9
1.5 Generalidades sobre los relevadores ... 10
1.5.1 Relés de tipo armadura ... 11
1.5.2 Relés de núcleo móvil. ... 11
1.5.3 Relé tipo red o de lengüeta. ... 11
1.5.4 Relés polarizados o biestables. ... 11
1.5.6 Relé de corriente alterna. ... 12
1.5.7 Relé de láminas. ... 12
1.6 El uso de las protecciones digitales. ... 13
1.7 Funcionamiento del relé digital. ... 13
1.7.1 Ventajas de los relés digitales ... 15
1.8 Protección Distanciométrica. ... 16
1.9 Introducción a los métodos de cálculo para la localización de fallas. ... 18
1.9.1 Método de cálculo de simple sin utilizar las impedancias de las fuentes. ... 21
1.10 Diagnostico de falla. ... 23
1.11 Conclusiones parciales del capítulo. ... 27
II
2.1 Introducción ... 29
2.2 Cálculo para la localización de fallas en líneas de transmisión. ... 31
2.3 Protección multifuncional SIPROTEC® 4 7SJ62/63/64... 32
2.3.1 Funciones de protección. ... 32
2.4 La protección digital de distancia SIPROTEC 4 7SA522. ... 33
2.4.1 Protección de distancia. ... 35
2.4.3 Funciones de mando. ... 37
2.4.4 Avisos y valores de medida; los registros de valores de perturbación. ... 38
2.4.5 Funciones adicionales. ... 38
2.6 La localización de fallas. ... 40
2.6.1 Errores de modelo de línea. ... 40
2.6.2 Errores de medición. ... 40
2.6.3 Errores de logaritmo de localización ... 41
2.6.4Errores de los transductores de corriente y potencial. ... 41
2.7 Datos y de resultados ... 41
2.7.1 Análisis de las fallas estudiadas en líneas de transmisión Holguín-Nuevitas. ... 46
2.8 Conclusiones parciales. ... 50
Conclusiones generales. ... 56
Recomendaciones... 57
Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Página 1
Introducción general
La determinación rápida de una falla en una línea de transmisión con una precisión aceptable
permite realizar las acciones necesarias para restablecer el suministro de energía,
disminuyendo de esta manera el tiempo e indisponibilidad y mejorando la confiabilidad del
sistema eléctrico. Existen diferentes técnicas de localización de fallas en Líneas Aéreas de
Transmisión (L/T), entre las principales están: técnicas basadas en ondas viajeras, técnicas
basadas en redes neuronales, técnicas que realizan un procesamiento digital de las señales
de voltaje y corrientes, técnica basada en el modelamiento de la línea de transmisión a través
de la ecuación diferencial DEA. En este proyecto se trataran los algoritmos que procesan las
señales digitales de corriente y voltaje, obtenidas de las herramientas operativas y/o equipos
ubicados en las subestaciones destinados a la adquisición de estos datos como son: Los
relés de protección. Cada algoritmo planteado busca minimizar el error de localización
aplicando el menor tiempo posible para lo cual cada algoritmo utiliza diferente metodología
de cálculo. Además el proyecto plantea la realización de una rutina de cálculo en Matlab de
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Problema.
Ineficiencia de los métodos de cálculo, que se utilizan para diagnosticar fallas en líneas de
transmisión.
Hipótesis.
Si se valida la efectividad de los métodos a utilizar en el calculo de fallas para cada tipo de
avería se acelera el proceso de reparación con tiempo y costos mínimos.
Objetivo general.
Determinar la efectividad de diferentes métodos en el cálculo de fallas en líneas de
transmisión, para diferentes tipos de averías.
Objetivos específicos.
¾ Resumen bibliográfico del objeto de estudio.
¾ Aplicar métodos de cálculo de fallas para varios casos y determinar cual es el mas
efectivo.
¾ Comparar los resultados de los métodos con la predicción de las protecciones. ¾ Validar la propuesta económicamente.
Objeto de estudio.
Protecciones eléctricas
Campo de acción.
3
Tareas Propuestas.
¾ Realizar un estudio de los métodos de cálculo matemáticos utilizados para determinar
fallas en líneas de transmisión.
4
Capítulo I
5
Capítulo I: Marco Teórico Referencial de la investigación
1.1 Introducción
La complejidad de las protecciones eléctricas es muy variada por eso se tratara en este
capítulo de hacer referencia a todo aquello que de una forma u otra está relacionado con el
trabajo. Las subestaciones y sus líneas de transmisión estas sujetas a cambios constantes
debido a que estas cuentan con el apoyo de la más moderna tecnología que con el de cursar
de los anos se desarrolla constantemente, aunque las mismas no están exentas a equívocos
y malos usos es por eso que se ha hecho un trabajo donde se analizaran detenidamente.
1.2 Subestaciones eléctricas
Las subestaciones eléctricas son componentes de los sistemas eléctricos de potencia. En
donde se modifican los parámetros de la potencia, tensión y corriente, sirven de punto de
interconexión para facilitar la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Para su
diseño se deben considerar 4 puntos importantes: ¾ Las tensiones a las que trabajara la instalación.
¾ Nivel de aislamiento admisible en los aparatos por instalar
¾ Corriente máxima que se prevé en servicio continuo (máxima potencia en condiciones
normales de operación).
¾ Corriente máxima de falla (corriente de corto circuito)
Las subestaciones eléctricas están dotadas por un gran número de elementos de ellos
mencionaremos los mas importantes en el desempeño de las protecciones los interruptores,
seccionadores y especificadamente como protección utilizan fusibles e interruptores
automáticos que desempeñan un papel fundamental en los procesos de mantenimiento y
operación de las redes de distribución y transporte.
1.3 La red de transporte de energía eléctrica.
Es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para
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generada en las centrales eléctricas. Para ello, los niveles de energía eléctrica producidos
deben ser transformados, elevándose su nivel de tensión. Esto se hace considerando que
para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar la tensión se reduce la corriente
que circulará, reduciéndose las pérdidas por Efecto Joule. Con este fin se emplazan
subestaciones elevadoras en las cuales dicha transformación se efectúa empleando
transformadores, o bien autotransformadores. De esta manera, una red de transmisión
emplea usualmente voltajes del orden de y110 y220 Kv y superiores, denominados alta
tensión, de 400 o de 500 kV. Parte de la red de transporte de energía eléctrica son las líneas
de transporte. Una línea de transporte de energía eléctrica o línea de alta tensión es
básicamente el medio físico mediante el cual se realiza la transmisión de la energía eléctrica
a grandes distancias. Está constituida tanto por el elemento conductor, usualmente cables de
acero, cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte, las torres de alta tensión.
Generalmente se dice que los conductores "tienen vida propia" debido a que están sujetos a
tracciones causadas por la combinación de agentes como el viento, la temperatura del
conductor, la temperatura del viento, etc.
Existen una gran variedad de torres de transmisión como son conocidas, entre ellas las más
importantes y más usadas son las torres de amarre, la cual debe ser mucho más fuertes para
soportar las grandes tracciones generadas por los elementos antes mencionados, usadas
generalmente cuando es necesario dar un giro con un ángulo determinado para cruzar
carreteras, evitar obstáculos, así como también cuando es necesario elevar la línea para
subir un cerro o pasar por debajo y o encima de una línea existente.
Existen también las llamadas torres de suspensión, las cuales no deben soportar peso
alguno más que el del propio conductor. Este tipo de torres son usadas para llevar al
conductor de un sitio a otro, tomando en cuenta que sea una línea recta, que no se
encuentren cruces de líneas u obstáculos.
La capacidad de la línea de transmisión afecta al tamaño de estas estructuras principales.
Por ejemplo, la estructura de la torre varía directamente según el voltaje requerido y la
capacidad de la línea. Las torres pueden ser postes simples de madera para las líneas de
transmisión pequeñas hasta 46 kilovoltios (kV). Se emplean estructuras de postes de madera
en forma de H, para las líneas de 69 hasta 231 kV. Se utilizan estructuras de acero
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de transmisión de hasta 1000 kV. Al estar estas formadas por estructuras hechas de perfiles
de acero, como medio de sustentación del conductor se emplean aisladores de disco y
herrajes para soportarlos.
Las líneas de transmisión pueden tener pocos, o cientos de kilómetros de longitud. El
derecho de vía donde se construye la línea de transmisión puede variar de 200 a 500 metros
de ancho, o más, dependiendo del tamaño de la línea, y el número de líneas de transmisión.
Las líneas de transmisión son, principalmente, sistemas terrestres y pueden pasar sobre los
humedales, arroyos, ríos y cerca de las orillas de los lagos, bahías, etc. Son técnicamente
factibles, pero muy costosas, las líneas de transmisión subterráneas.
1.3.1 Líneas de transmisión.
Son el elemento de los sistemas eléctrico de potencia con mayor riesgo de falla, tanto por el
número que existe, como por la extensión territorial que ocupan. Los Sistemas de
transmisión presentan valores característicos desde el punto de vista circuitos eléctricos,
determinados por su configuración, por su material y por el tamaño de sus conductores, las
mismas tienen como función especifica transportar la energía eléctrica desde los centros de
generación, hasta los centros de consumo así como la interconexión, con la finalidad de
transferir energía entre áreas en condiciones de emergencia o como consecuencia de la
diversidad de la demanda entre áreas. Ocupan un lugar importante en la operación de las
redes eléctricas, dado que son el elemento de los sistemas eléctricos de potencia
encargados de la transportación de la energía eléctrica.
Las líneas de transmisión están constituidas por 3 de elementos fundamentales: ¾ Conductores
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Figura1.1. Estructuras de las líneas de trasmisión.
Las averías mas frecuentes que se producen en los circuitos eléctricos son:
Cortocircuito: Uno de los tipos de falla más común en los sistemas de potencia es el
cortocircuito, que implica sobre corrientes o desbalances en el voltaje, o ambas, es la
conexión voluntaria o accidental entre dos puntos de un circuito entre los que hay una
diferencia de potencial. Estas averías se tienen que eliminar en un tiempo inferior a los 5
segundos. Los sistemas de protección utilizados son: fusibles, seccionadores e interruptores
electromagnéticos.
Sobreintensidad: Es una intensidad superior a la nominal y puede producir a su tiempo una
sobre carga o un cortocircuito. Se entiende por sobre carga un aumento de la corriente que
sobrepasa la corriente nominal. Los sistemas eléctricos de protección utilizados son:
fusibles, interruptores electromagnéticos y magneto térmicos.
Contacto directo: Es el contacto entre personas y partes activas de la instalación los sistemas
eléctricos de protección son: aislar las partes activas de instalación y habilitar una distancia
de seguridad mediante obstáculos.
Contacto indirecto: Con personas, con masas que se encuentran accidentalmente en tensión,
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1.4 Generalidades sobre las protecciones eléctricas
Es necesario tener sistemas de protección en las diferentes instalaciones eléctricas, debido a
que estas son vulnerables a la a presentar cualquier tipo falla, en los sistemas eléctricos de
potencia saber clasificar los tipos de fallas conocer los mas comunes y sobre todo poder
eliminarlos en el menor tiempo posible es vital para la instalación y sus operarios.
A lo largo de los años se ha hecho evidente que la máxima capacidad operativa de un
sistema de transmisión seguro se basa frecuentemente en la estabilidad de la tensión y de
los ángulos de fase, y no tanto en sus limitaciones físicas. Así pues, en vez de construir
nuevas líneas, la industria ha buscado desarrollar tecnologías o dispositivos que incrementen
la capacidad de las redes de transmisión, manteniendo, al mismo tiempo, o incluso
mejorando, la estabilidad de la red. En teoría, un sistema de transmisión puede transportar
energía hasta alcanzar sus límites de carga térmica. En la práctica, sin embargo, el sistema
casi siempre está restringido por los límites de estabilidad y de variación de la tensión, y por
las circulaciones de potencia, antes de alcanzar el límite térmico. Evitar que durante la
circulación de las corrientes de tierra, puedan producirse diferencias de potencial entre
distintos puntos de la subestación eléctrica, que pueden ser peligrosos para el personal y dar
mayor confiabilidad al servicio eléctrico es una de las funciones principales de las
protecciones.
1.4.1 Protección en las líneas de transmisión
Las líneas son los elementos del sistema eléctrico que interconectan dos o más
Subestaciones por lo tanto están sometidos permanentemente a la ocurrencia de los
fenómenos meteorológicos y de otro tipo como maniobras humanas. Por su longitud las
líneas de transmisión están más expuestas a fallas que cualquier otro elemento del sistema
por lo que deben estar estrictamente protegidas, por tal razón es importante su protección,
pero tomando en cuenta las siguientes características: ¾ Confiabilidad.
¾ Fiabilidad. ¾ Seguridad.
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¾ Velocidad o tiempo de despeje de fallas. ¾ Sensibilidad de la protección.
¾ Simplicidad.
Selectividad: Sólo debe salir de servicio el segmento de la red en el que se ha producido la
falla.
Velocidad: Es la condición por la cual el sistema de protección debe actuar tan rápidamente
como sea posible.
Confiabilidad: Es la habilidad del sistema de protección para realizar su función
adecuadamente.
Las principales protecciones de línea son:
1.5 Generalidades sobre los relevadores
El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor
controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se
acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos
eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.Dado que el relé es
capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede
considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Existen diferentes tipos
de relés, dependiendo del número de contactos, de la intensidad admisible por los mismos,
tipo de corriente de accionamiento, tiempo de activación y desactivación, etc. Cuando
controlan grandes potencias se les llama contactores en lugar de relés. Categorizando
ampliamente los tipos de relé, debemos decir que éstos se dividen entre los relés
electromagnéticos, relés de corriente alterna, relés de láminas y relés de estado sólido.
Dentro de los relés electromagnéticos, se distinguen los siguientes: relés de núcleo móvil,
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1.5.1 Relés de tipo armadura
Pese a ser los más antiguos siguen siendo los más utilizados en multitud de aplicaciones. Un
electroimán provoca la basculación de una armadura al ser excitado, cerrando o abriendo los
contactos dependiendo de si es NA o NC.
1.5.2 Relés de núcleo móvil
.A diferencia del anterior modelo estos están formados por un émbolo en lugar de una
armadura. Debido su mayor fuerza de atracción, se utiliza un solenoide para cerrar sus
contactos. Es muy utilizado cuando hay que controlar altas corrientes.
1.5.3 Relé tipo red o de lengüeta
.Están constituidos por una ampolla de vidrio, con contactos en su interior, montados sobre
delgadas láminas de metal. Estos contactos conmutan por la excitación de una bobina, que
se encuentra alrededor de la mencionada ampolla.
1.5.4 Relés polarizados o biestables
.Se componen de una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior
gira dentro de los polos de un electroimán, mientras que el otro lleva una cabeza de contacto.
Al excitar el electroimán, se mueve la armadura y provoca el cierre de los contactos. Si se
polariza al revés, el giro será en sentido contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro
circuito.
1.5.5 Relés de estado sólido.
Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por un
optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la
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nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es
usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos
del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio desgaste mecánico,
además de poder conmutar altos amperajes que en el caso del relé electromecánico
destruirían en poco tiempo los contactos. Estos relés permiten una velocidad de conmutación
muy superior a la de los relés electromecánicos
1.5.6 Relé de corriente alterna.
Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo magnético en el circuito
magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre
los contactos. Es decir, los contactos de un relé conectado a la red, en algunos lugares,
como varios países de Europa y Latinoamérica oscilarán a 50 Hz y en otros, como en
Estados Unidos lo harán a 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos timbres y
zumbadores, como un activador a distancia. En un relé de corriente alterna se modifica la
resonancia de los contactos para que no oscilen.
1.5.7 Relé de láminas.
Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste en un
electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae varias varillas sintonizadas
para resonar a sendas frecuencias de interés. La varilla que resuena acciona su contacto; las
demás, no. Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de
telecontrol
Los relés de un sistema de protección en su conjunto como cada una de las protecciones
que lo componen, deben satisfacer las siguientes características operativas: ¾ Fiabilidad.
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¾ Economía y Simplicidad.
El avance tecnológico y el desarrollo del software asociado han permitido que los relés de
protección de los sistemas eléctricos se transformen en un dispositivo inteligente que
adquiere señales de campo y realiza varias funciones de control, protección y medida. A la
par de los anos los avances han sido de muy buen provecho ya que los mismos han
proporcionado a nuestros sistemas una muy buena seguridad y protección.
1.6 El uso de las protecciones digitales.
El concepto de la utilización de las computadoras digitales en el campo de las protecciones
eléctricas tuvo su origen hace más de 30 años y desde entonces
Se han desarrollado rápidamente.
El estudio de los relevadores digitales comenzó con intentos de investigar si las funciones del
relé podrían ser llevadas a cabo por una computadora digital. Estas investigaciones se
iniciaron en la década del 60, período durante el cual las computadoras, aunque muy lentas,
reemplazaban muchas de las herramientas de análisis de La Ingeniería Eléctrica.
Los cortocircuitos, sobrecargas y problemas de estabilidad, que constituían la principal
preocupación de los diseñadores de sistemas eléctricos, habían sido llevados a programas
de computación.
Las computadoras de entonces no eran capaces de manipular las necesidades técnicas de la
alta velocidad de las funciones de los relés, además de su alto costo y consumo, lo cual no
constituía un incentivo para la aplicación de la computación en el campo de las protecciones.
A pesar de esto, algunos algoritmos de protecciones fueron estudiados con profundidad.
Durante los años 70 ocurrieron significativos avances en el ''hardware'' de las computadoras,
su tamaño, consumo y costo disminuyeron notablemente, mientras que su velocidad
aumentó a más del doble, en comparación con las computadoras anteriores.
La aparición del microprocesador de 16 bits y más recientemente el de 32 bits, hizo
1.7 Funcionamiento del relé digital.
El algoritmo de trabajo representa la mayor parte de la actividad de un relé digital. El
desarrollo de un algoritmo depende fundamentalmente de la obtención precisa de los
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de la misma. Esto se debe a que las protecciones digitales utilizadas en los sistemas
eléctricos de potencia solo interesa la componente fundamental de la señal muestreada para
la toma de decisiones, lo que simplifica el procesamiento matemático de la señal. El
algoritmo de trabajo incluye técnicas de ajuste de curvas y el procesamiento matemático de
las señales (métodos de Fourier).
En nuestro programa se utilizo el método de ajuste por mínimos cuadrados y el método de la
transformada discreta de Fourier (TDF) para el procesamiento matemático. Existen diferentes
métodos de procesamiento de señales. La distinción entre ellos depende de su
comportamiento cuando en la señal están presentes otras frecuencias además de la
fundamental (armónicos). Para muchos algoritmos cualquier frecuencia distinta de la
fundamental.
Relés estáticos.
Un relé estático, llamado también Relé de estado sólido (SSR, Solid State Relays), es un
dispositivo de conmutación electrónico que realiza la conexión y desconexión, con ausencia
de contactos móviles en su interior.
Relé numérico.
Se basan exclusivamente en la técnica de microprocesadores. Estos aparatos representan la
generación más potente y moderna de los aparatos de protección, caracterizados por sus
capacidades como son, relacionar enlaces matemáticos de valores de medida, procesar
operaciones aritméticas y adoptar decisiones lógicas.
Los relés digitales ofrecen la precisión y superioridad de la técnica digital de protección frente
a dispositivos de protección convencionales, y se caracterizan por las siguientes
propiedades:
¾ Elevada precisión de medida gracias al procesamiento digital de los valores de ¾ medida.
¾ Indicación de fallas mediante LEDs.
¾ Márgenes extremadamente amplios del voltaje de alimentación, gracias a su etapa de
alimentación universal de amplio margen.
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¾ Tiempos de respuesta sumamente rápidos.
Clasificación de relés numéricos según su tipo.
Relé de Sobrecorriente:
Son los encargados de abrir los elementos de protección cuando la corriente que circula
supera un valor predeterminado. ¾ De manera instantánea.
¾ Con temporización de tiempo definido. ¾ Con temporización de tiempo inverso.
Relé de Sobrevoltaje.
Relé Diferencial
Relé de Distancia.
Relé Direccional.
1.7.1 Ventajas de los relés digitales
Los relés digitales presentan una serie de ventajas que hacen más factible su utilización que
la de los relés convencionales, las mismas se explican a continuación: ¾ costo
El costo de un relé constituye la principal consideración para su aceptación. En las primeras
etapas el costo de un relé digital era de 10 a 20 veces el de uno convencional. Con el de
cursar de los años se han mejorado los diseños y se han concebido relés digitales con
componentes que los hacen mejores técnica y económicamente. Aparejado a esto el
desarrollo de la técnica ha permitido aumentar su poder de cálculo y disminuido el costo de
los relés digitales, por lo que se estima que para la misma función el costo del relé digital
más sofisticado (incluyendo el costo del software) sería del orden del costo de sistema
convencional de protecciones. ¾ Auto chequeo y confiabilidad
El relé digital puede ser programado para monitorear sus subsistemas de ''hard'' y ''software''
continuamente con el objetivo de detectar cualquier anomalía que pudiera ocurrir en su
funcionamiento. También puede ser diseñado de forma tal que, al detectar una falla él mismo
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de sus componentes es posible detectar las averías antes de que ocurran y ser reparadas
ante la posibilidad de una mala operación del relé. Además brindan la posibilidad de
monitoreo del sistema que protegen. ¾ Ambiente digital
La fibra óptica, debido a su inmunidad a la interferencia electromagnética, ha tendido a
convertirse en el medio de transmisión de señales de un punto a otro de las subestaciones y
la misma es particularmente utilizable en medios digitales. ¾ Flexibilidad funcional y adaptabilidad
Los relés digitales pueden ser programados para realizar tantas funciones como lo permitan
sus entradas y salidas, por lo que se podrían llevar a cabo otras tareas en la subestación sin
costo extra. Por ejemplo, censar y monitorear flujos de potencia y voltajes en
transformadores y líneas de transmisión, controlar el cierre y apertura de interruptores y
servir de respaldo a otros dispositivos que pudieran fallar. Su capacidad de comunicación y
programabilidad permiten modificar las características del relé según las condiciones
específicas del sistema a proteger. Son más compactos e idóneos para la automatización y
el control en general de los sistemas eléctricos de potencia por sus posibilidades de cambiar
sus ajustes ante variaciones de los esquemas a proteger.
Técnicamente factible la alta velocidad de los relés computarizados, al mismo tiempo que su
costo comenzó a hacerse comparable con el de los relés convencionales.
Esta tendencia de evolución se mantiene actualmente, tan es así, que la vía más económica
y técnicamente superior para la construcción de sistemas de protección está basado en la
sustitución de los relés convencionales por relés digitales, excepto cuando se trata de relés
funcionalmente simples o de bajo costo.
1.8 Protección Distanciométrica.
En las redes de transmisión, la protección Distanciométrica (también denominada protección
de distancia o protección de impedancia) es la más difundida. Su principio se basa en la
medición de la relación entre la tensión y la corriente en cada extremo de la línea protegida,
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Los sistemas de teleprotección involucran distintas variantes y son un complemento de la
protección Distanciométrica, que le permite una actuación instantánea en caso de fallas en
todo lo largo de la línea. Requieren medios de comunicación de señales lógicas entre ambos
extremos que suelen ser Onda
Portadora.
Una característica importante de la protección Distanciométrica es su empleo como
protección de respaldo de las protecciones de las barras a las que está directamente
vinculada la línea en cuestión y de las protecciones de las otras líneas vinculadas a dichas
barras. La protección Distanciométrica constituye un sistema por excelencia ya que requiere
una coordinación de las regulaciones de los distintos relés y, en caso de uso de
Teleprotección, vinculación física entre los relés de ambos extremos de cada línea.
Cuando por efecto de otras perturbaciones los sistemas de potencia comienzan a oscilar y
las oscilaciones no pueden ser controladas mediante los automatismos previstos a ese
efecto, los sistemas de protección deben producir la apertura de las redes en puntos
previamente establecidos para conseguir subsistemas aislados estables. Los propios
sistemas de protección Distanciométrica suelen estar previstos para esa función, mediante el
uso de una “doble característica”. Esa doble característica le permite diferenciar entre las
impedancias aparentes presentadas por las fallas de aislación y las impedancias aparentes
producidas por grandes incursiones angulares entre generadores.
La protección de distancia es una protección más selectiva y por lo mismo puede ser rápida o
lenta dependiendo de la longitud de la línea, normalmente la protección de distancia
comprende de tres a cinco zonas de protección y medición independiente cada una de ellas.
- Zona 1. Se utiliza para detectar fallas ajustada aproximadamente 80 a 85%.
- Zona 2. Su objetivo es proteger el tramo restante de la línea. Se escoge como criterio inicial
el alcance del 100% de la línea protegida más el 50% de la línea adyacente.
- Zona 3. Proporciona protección de respaldo, cuyo ajuste deberá ser tal que cubra no solo la
línea protegida, para lo cual se debe considerar lo siguiente:
Protecciones de Sobre y Bajo Voltaje.
La protección de sobre y baja voltaje opera a un tiempo determinado cuando se supera un
valor de voltaje específico pero antes de hacer el ajuste de estas funciones es necesario
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Relé de recierre y verificación de sincronismo.
Se utiliza para comprobar las condiciones al cierre del disyuntor. Este relé se implementa
para restaurar la parte fallada del sistema de transmisión, una vez que la falla se ha
extinguido
Protección de sobretensión:
Las operaciones del sistema, actuación de protecciones, descompensaciones de potencia
reactiva, etc. producen sobretensiones. Estas pueden afectar la aislación de los equipos
instalados en las subestaciones, por tal motivo se instalan protecciones de sobretensión, las
cuales luego de detectar un valor de tensión superior al nominal y de transcurrir un tiempo
prefijado desconectan las líneas.
1.9 Introducción a los métodos de cálculo para la localización de fallas.
Para la aplicación del cálculo de fallas en las líneas de transmisión se deben estudiar una
serie de algoritmos matemáticos que por su importancia han sido traducidos al cómputo y a
los lenguajes de programación algoritmo de Takage de gran utilidad en el uso del método de
cálculo de reactancia simple sin utilizar las impedancias de las fuentes, otro algoritmo
matemático de especial significación en la aplicación de métodos de cálculos para
localización de fallas es la variante que nos proporciona Erickson la misma utiliza las
impedancias de las fuentes todos tienen algo en común y es que son de gran aplicación en
las protecciones eléctricas.
Estás técnicas se basan principalmente en la determinación de la parte reactiva de la línea
despreciando la parte resistiva serie y la parte capacitiva paralela.
Estas técnicas parten de un modelo de red generalizado de línea corta que se lo describe a
19
Tabla 1.1 Definiciones del esquema de línea corta
Nombre Definición m Longitud de la línea desde la sub Gen pu
Zl Impedancia de secuencia positiva de la línea Rf Resistencia de falla
If Corriente de falla
Ig Corriente de la fase fallada que aporta la sub G Vg Voltaje dela fase fallada en la sub G
F Punto de falla Sub g Subestación G Sub h Subestación H
Zs Impedancia interna de la fuente equivalente en la sub G Zr Impedancia interna de la fuente equivalente en la sub H
La caída de voltaje desde el terminal G se escribe en la ecuación 1, y un arreglo de esta en
la ecuación 2.
Rf If Ig Zl m
Vg = * * + * (1)
(
If
Ig
)
Rf
Zl
m
Ig
Vg
*
/
*
+
=
(2)Para analizar cómo afecta el ángulo de la relación ( Ig If
) la resistencia de falla superponen
los sistemas falla y pre-falla, en el que “IL” representa la corriente de carga.
IL
Ig
Ig
=
−
∆
(3)Se escribe a continuación un factor de distribución de la corriente “ds”
(
)
[
]
=
<
β
+
+
−
+
=
∆
=
ds
Zg
Zl
Zh
Zl
m
Zh
If
Ig
ds
1
*
(4)
20
γ
< = ∆
= I ns
Ig Ig ns (5) Rf ds ns Zl m Ig Vg * * 1 * + = (6)
El ángulo (β +γ ) determina la componente reactiva de la resistencia de falla Rf [10].
El algoritmo de reactancia mide la impedancia de la línea utilizando los voltajes y corrientes
de la fase fallada. Al relacionar la componente imaginaria de esta con la reactancia de
secuencia positiva de la línea, se puede estimar la distancia de falla.
Figura 1.2. Error que se produce debido a la componente reactiva en la estimación de la localización de Falla
Este algoritmo fue uno de los primeros en compensar la falta de la medida de la resistencia
de falla asumiendo que este valor es despreciable reduciendo este término de la ecuación 1.
Zl m Ig Vg * = (7)
Despejando m de la ecuación 7
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = Ig Vg ag Zl ag
m *Im
) ( Im
1
(8)
21 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = Ig If ag Rf Zl
ag( )* *Im Im
1
ε
(9)
Para el caso de fallas monofásicas lo que implica una circulación de corrientes de secuencia
cero la distancia de falla está dada por
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = ) * ( Im * ) ( Im 1 0 I kO Iga Vga ag Zl ag m (10)
Donde “k0” es el coeficiente de impedancia de tierra.
(
)
l Z l Z l Z kO 1 1 0 * 3 − = (11)1.9.1 Método de cálculo de simple sin utilizar las impedancias de las fuentes.
Algoritmo de takage.
Este método parte al analizar el cambio de la corriente.
ds Ig Rf Ig Zl m
Vg = * * + * ∆
(12)
Al multiplicar los dos lados de la ecuación por “∆Ig” y analizar solamente la parte imaginaria.
(
)
(
)
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ∆ = ∆ ds ag Rf Ig Ig Zl ag m Ig Vgag * *Im * * *Im 1 Im
(13)
Asumiendo que el ángulo de Im 1 ⎟ = 0
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ds
ag y despejando “m”.
(
)
(
Zl Ig Ig)
ag Ig Vg ag m ∆ ∆ = * * Im * Im (14)
22
(
)
(
β)
β 1 0 1 0 e * * * Im e * * Im − − = I Ig Zl ag I Vg agm . (15)
Algoritmo de Ericsson.
Si se conoce la impedancia de las fuentes se puede estimar la distancia de falla con mayor
precisión sin necesidad de realizar suposiciones.
Rf ds Ig Ig Zl m
Vg = * * + ∆ *
(16)
Reemplazando “ds”
(
)
RfZg Zl Zh ZL m Zh Ig Ig Zl m Vg * * 1 * * + + − + ∆ + = (17)
De esta ecuación se obtiene una ecuación cuadrática para “m” y “Rf”.
(
)
0 * * * * * * *2 − ∆ + + + + =
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + − Zl Zl Zh Ig Zl Vg Zl Zg Zl Zh Ig Zl Ig Rf Zl Ig Vg Zl Zl Zh m m …(18)
Separando en sus partes real e imaginario se resuelve para “m”.
Este es uno de los algoritmos más estudiados ya que no es sensible a varios factores como
son: resistencia de falla, al efecto reactivo dado por ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Ig
If , tampoco a la variación del ángulo
en la distribución de corrientes, o a fallas lejanas al terminal de red donde se evalúa. Sin
embargo, se ve afectado por la variación en la topología a los extremos de la red,
reflejándose en la variación de los equivalentes de fuente. El valor de “∆Ig” depende del tipo
de falla.
Algoritmos de localización de fallas a partir de dos terminales de la línea de transmisión.
Con el avance de la tecnología se puede tener acceso a la información de más de un
terminal de red, lo que ha sido el principal impedimento en la aplicación del algoritmo de los
23
Este algoritmo determina la caída de tensión de los dos extremos de red y resuelve para
“m”. Rf If Ig Zl m
Vg = * * + * (19)
(
m)
Zl Ih If RfVh= 1− * * + * (20)
Despejando el voltaje de falla de estas ecuaciones y resolviendo para “m” se obtiene:
(
Ig Ih)
Zl Ih Zl Vh Vg m + + − = * * (21)
Este algoritmo es uno de los más precisos ya que no realiza ninguna aproximación. Sin
embargo, la limitación en la aplicación está dada por as comunicaciones, excesivo tiempo de
procesamiento, sincronización de datos y errores en los equipos de adquisición de datos
1.10 Diagnostico de falla.
En el diagnóstico de la falla el especialista describe la falla eléctrica y el probable origen de la
misma.
En la descripción de la falla establece el tipo de falla eléctrica producida indicando las fases
involucradas, y características de la misma, esto lo infiere a partir de los eventos producidos
(alarmas y movimientos de interruptores) y los tiempos en que se produjeron los mismos.
Un caso particular en el análisis de fallas en sistemas de potencia es la ocurrencia de dos o
más fallas en el mismo instante de tiempo, situación que puede ser resultado de algunos
eventos, como la caída de descargas atmosféricas o accidentes causados por mala
manipulación de los equipos por parte de los operarios. Usualmente solo se consideran dos
fallas simultáneas, debido a la baja probabilidad de que ocurran más eventos en el mismo
24
Uno de los tipos de falla más común en los sistemas de potencia es el cortocircuito, que
implica sobrecorrientes o desbalances en el voltaje, o ambas. Cerca del 85% de las fallas a
nivel mundial son monofásicas a tierra, el 5% involucra más de una fase y el 10% de las
restantes son del tipo mecánicas.
Se pueden identificar los siguientes tipos de falla: ¾ Falla Monofásica con recierre exitoso
¾ Falla Monofásica con recierre no exitoso
¾ Falla Monofásica por extremo débil con recierre no exitoso ¾ Falla Monofásica repetitiva con recierre exitoso
¾ Falla Monofásica repetitiva con recierre no exitoso
¾ Falla Monofásica con apertura tripolar por recierre inhibido ¾ Falla Bifásica
¾ Falla Bifásica a tierra ¾ Falla trifásica
¾ Falla trifásica a tierra ¾ Falla evolutiva ¾ Sobretensión ¾ Cierre Sobre falla
Por otro lado, cada uno de los tipos de falla mencionados puede provocar distintas
actuaciones de la protección, producto de la falla y de las distintas contingencias que se
pueden producir entre la actuación de la protección y los equipos de maniobra, como por
ejemplo los casos que siguen
¾ Falla Monofásica con falla en uno de los interruptores asociados en el extremo opuesto ¾ Falla Monofásica sin ejecución del recierre por problemas en el ajuste de tiempo de la
discrepancia mecánica
¾ Falla Monofásica sin ejecución del recierre por falla del interruptor
¾ Falla Monofásica con disparo definitivo por problemas en el extremo opuesto de la línea ¾ Falla Monofásica sin ejecución del recierre por problemas en el accionamiento o en el
25
¾ Falla Monofásica sin ejecución del recierre por problemas en el ajuste de tiempo de la
discrepancia eléctrica
El tipo de falla y cada una de las posibles contingencias deben ser identificados por el
especialista en protecciones y esto forma parte del diagnóstico de la falla.
La descripción del probable origen se refiere al fenómeno físico causante de la falla. El
término probable indica en este caso que existe un cierto grado de incertidumbre acerca de
la determinación del fenómeno, dado que se trata de un conocimiento especulativo o
hipotético.
Las fallas en líneas se pueden clasificar en dos grandes grupos ¾ Fallas Fugaces
¾ Fallas Permanentes
Las Fallas Fugaces se producen debido a las siguientes causas: ¾ Disminución de la rigidez dieléctrica
¾ Distancia Dieléctrica insuficiente ¾ Sobretensiones
La disminución de la rigidez dieléctrica puede estar ocasionada por los siguientes
fenómenos: ¾ Incendio
La distancia dieléctrica insuficiente puede producirse a causa de: ¾ Los vientos
Las Sobretensiones se pueden generar a partir de: ¾ Las descargas atmosféricas
Las Fallas Fugaces pueden ser monofásicas, bifásicas o trifásicas. Para las fallas
monofásicas existe una función de la protección que produce el recierre de la fase afectada
en forma automática.
Las Fallas Permanentes se producen a partir de la siguiente causa: ¾ Contacto galvánico de un conductor con potencial cero
El contacto galvánico de un conductor con potencial cero puede originarse en: ¾ Caída de estructura
26
Las localizaciones de fallas en líneas de transmisión poseen variadas fuentes de errores
entre las que encuentran:
Errores de modelo de línea ¾ Efecto capacitivo
¾ Elementos de derivación(reactores) ¾ No transposición
¾ Valores de las constantes
Errores de medición
¾ Procesamiento analógico y digital de las señales ¾ Señales de entrada no disponibles
Errores de logaritmo de localización
27
1.11 Conclusiones parciales del capítulo.
¾ Se presentó una panorámica de la situación en la actualidad de las subestaciones y
redes de transmisión eléctrica.
¾ Se abordaron las generalidades de las protecciones y la introducción de las más
modernas tecnologías.
¾ Se analizaron las principales fallas que aparecen en las redes de transmisión eléctrica. ¾ Se realizó una reseña de los métodos de cálculo utilizados para detectar las fallas en
28
Capítulo II
Estudio y aplicación de los algoritmos
para el cálculo de fallas en las líneas de
29
Capítulo II: Estudio y aplicación de los algoritmos para el
cálculo de fallas en las líneas de transmisión.
2.1 Introducción
Las investigaciones hechas anteriormente demuestran que es necesario el estudio y
aplicación de métodos que sean más exactos y cumplan todas las exigencias al cálculo de
fallasen cualquiera que fuese la línea de transmisión. Debido a la complejidad de las fallas y
todas las transformaciones y fenómenos que ocurren en la línea se h a hecho imprescindible
poner en práctica una serie de métodos capaces de hacer más exactos los diagnósticos
de falla y por ende su localización y causa. En este capítulo tendremos todo lo referente al
uso de las protecciones digitales en las líneas entre Holguín y Nuevitas así como la
aplicación de un software capaz de hacer cálculos que sirven de apoyo a la localización de
fallas en estas líneas La subestación en la cual enmarcaremos el estudio cuenta con 4
entradas Cueto, Felton y Nuevitas (1), Nuevita (2) sobre la que aplicaremos los métodos de
cálculo para fallas a distancia. Estas líneas tienen una distancia de 155 km, tensión de 220
kV una Resistencia igual 15.84 Ohm, además cuenta con una impedancia de 80.6 Ohm. Las
mismas están protegidas por 2 relevadores numéricos digitales el multifuncional
30
31
2.2 Cálculo para la localización de fallas en líneas de transmisión.
Para la aplicación del cálculo de fallas en las líneas de transmisión se deben estudiar una
serie de algoritmos matemáticos que por su importancia han sido traducidos al cómputo y a
los lenguajes de programación. El algoritmo de Takage de gran utilidad en el uso del método
de calculo de reactancia simple sin utilizar las impedancias de las fuentes, otro algoritmo
matemático de especial significación en la aplicación e métodos de cálculos para localización
de fallas es la variante que nos proporciona Erickson la misma utiliza las impedancias de las
fuentes todos tienen algo en común y es que son de gran aplicación en las protecciones
eléctricas.
Estás técnicas se basan principalmente en la determinación de la parte reactiva de la línea
despreciando la parte resistiva serie y la parte capacitiva paralela, las mismas parten de un
modelo de red generalizado de línea corta que se lo describe a continuación.
El objetivo de este capítulo es mostrar los diferentes tipos de algoritmos de localización de
fallas, profundizando en los algoritmos de Reactancia, Takage y Fasores realizando las
simulaciones de los mismos usando el MATLAB. Se comprobaron los algoritmos mediante
señales grabadas de disturbios reales.
Los algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión pueden subdividirse en tres
grupos, atendiendo al principio de determinación del lugar de la falla: ¾ Algoritmos basados en la propagación de ondas viajeras por la línea. ¾ Algoritmos basados en modelos del sistema.
¾ Algoritmos basados en modelos de la forma de onda.
Dentro de los algoritmos basados en modelos de la forma de onda, existen varios tipos: ¾ Algoritmo de reactancia.
¾ Algoritmo de Takage. ¾ Algoritmo de Eriksson.
Este trabajo está dirigido al estudio de los algoritmos de Reactancia, Takage y Fasores.
Algoritmo de La reactancia.
Este algoritmo es usado en las protecciones de distancia, donde se calcula la impedancia
aparente vista por el relevador durante la falla y posteriormente se calcula la parte imaginaria
32
2.3 Protección multifuncional SIPROTEC® 4 7SJ62/63/64.
Los equipos numéricos de protección multifuncional SIPROTEC® 4 7SJ62/63/64 se aplican
como equipos de protección, control y mando para las salidas de la barra colectora. Como
protección de línea el equipo puede ser instalado en redes con puesta a tierra directa o por
baja impedancia, aislado o compensada. Es apropiada para redes radiales alimentadas por
un lado, redes en anillos de configuración abierta o cerrada, como también para líneas de
doble alimentación. Como protección de motores, el equipo es apropiado para máquinas
asíncronas de cualquier dimensión. El equipo contiene las funciones necesarias usuales para
la protección, la vigilancia de la posición del interruptor y para las funciones de mando de las
unidades de conmutación en las barras colectoras simples y dobles y por lo tanto el equipo
es aplicable en forma universal. También, se pueden utilizar los equipos como protección de
reserva de tiempo para los equipos de protección diferenciales de cualquier tipo para líneas,
transformadores, generadores, motores y barras colectoras para todas las tensiones
eléctricas.
2.3.1 Funciones de protección.
La función básica es una protección de sobreintensidad temporizada no direccional. Ésta
tiene respectivamente dos escalones independientes de la intensidad (tiempo definido) y un
Escalón dependiente (tiempo inverso) para las intensidades de fase y la intensidad a tierra.
Para el Escalón de tiempo inverso, es disponible una serie de curvas características de
diferentes estándares. Opcionalmente, se puede ajustar una característica definida por el
usuario. Según la variante de pedido, la protección de sobreintensidad puede ser
complementada con una protección de sobreintensidad temporizada direccional, una
protección fallo del interruptor y una protección de faltas a tierra (para cortocircuitos a tierra
de alto ohmiaje o faltas a tierra) que puede trabajar en forma direccional o no-direccional.
Además de las funciones de protección para cortocircuito ya mencionadas, existen más
funciones de protección como variantes de pedido, como protección de frecuencia,
protección de sub.- y sobre tensión, protección de carga desequilibrada y protección
de sobrecarga con bloqueo de retranque y supervisión del tiempo de rearranque, como
33
líneas aéreas diversos ciclos de interrupción diferentes. La conexión a un dispositivo externo
de reenganche automático es también posible. Para situar rápidamente la falta después de
un cortocircuito, se ha integrado un localizador de faltas. Para la detección de faltas a tierra
intermitentes se puede solicitar una función de protección que reconoce y acumula faltas a
tierra de corta duración Mediante sensores externos se pueden tener en cuenta las
temperaturas de ambiente o de refrigeración (por medio de una unidad Thermobox
externa).En el 7SJ64 se puede comprobar en el equipo, antes de un reenganche y después
de un disparo tripolar, la tolerabilidad del reenganche mediante un control de las tensiones
y/o de sincronismo. La función de sincronismo también puede ser activada externamente.
2.4 La protección digital de distancia SIPROTEC 4 7SA522.
La protección digital de distancia SIPROTEC 4 7SA522 está equipada con un sistema
microprocesador de alta potencia. Este proporciona un procesamiento plenamente digital de
todas las funciones del equipo, desde la adquisición de los valores de medida hasta la salida
de órdenes a los interruptores.
Campo de aplicación
La protección digital de distancia SIPROTEC 4 (7SA522) es un equipo de protección
selectivo y rápido para líneas aéreas y cables, que pueden estar alimentados tanto de un
lado como de varios lados, en redes radiales, de anillo o malladas de cualquier nivel de
tensión. El neutro puede estar puesto tierra, compensado o aislado. El equipo está equipado
con todas las funciones que son normalmente requeridas para la protección de línea y por lo
tanto el equipo es aplicable en forma universal. El equipo tiene también aplicación como
protección de reserva con escalonamiento de tiempo para las funciones de protección por
comparación para todo tipo de líneas, transformadores, generadores, motores y barras para
cualquier nivel de tensión. Los equipos extremos de la zona a proteger, pueden intercambiar
informaciones mediante esquemas de teleprotección a través de líneas convencionales
(contactos) o interfaces opcionales para datos de protección utilizando medios de
comunicación dedicados (por lo general conductores de fibra óptica) o a través de una red de
comunicación. Si los equipos 7SA522 disponen de un interface de datos de protección,
34
En el caso de líneas con 3 extremos (líneas en T), se precisa como mínimo de un equipo con
dos interfaces de datos de protección.
La función básica del equipo es la determinación de la distancia a la falta mediante los
procedimientos de medida de distancia. Especialmente para la detección de faltas complejas
multifásicas la medida de la distancia se efectúa bajo un concepto multisistemático.
Diferentes procedimientos de detección de faltas permiten una amplia adaptación a las
condiciones de red y a los requerimientos del usuario. El neutro puede estar aislado,
compensado o puesto a tierra (con o sin límite de la intensidad a tierra). También es posible
su aplicación para líneas límite con o sin compensación serie. La protección de distancia
puede ser complementada con funciones de teleprotección en diversos esquemas para
transmisión de señales (para una desconexión inmediata 100%). Se dispone además de una
protección de cortocircuito para faltas a tierra de alta impedancia (como opción de pedido),
que puede ser direccional o no direccional y puede incorporarse también en un esquema de
transmisión de señales. En las líneas sin fuente o con una fuente de alimentación débil en
uno de sus extremos, es posible generar un disparo rápido en ambos extremos de la línea
por medio del esquema de transmisión de señales. Por otro lado y en caso de producirse un
cierre sobre falta, falta que puede estar situada en cualquier punto de la línea, es posible
realizar un disparo inmediato. En caso de un defecto en la tensión de medida, debido a un
fallo en los circuitos secundarios (ejemplo apertura del relé de protección del transformador
de tensión o de un fusible), el equipo puede cambiar automáticamente a un estado de
funcionamiento de emergencia en el cual se activa una protección integrada de
sobreintensidad de tiempo definido, este estado permanece hasta que la tensión de medida
se normalice nuevamente. Alternativamente, la protección de sobreintensidad puede ser
utilizada como protección independiente de reserva, que actúa paralelamente a la protección
de distancia.
Según la variante de pedido, la mayoría de las funciones de protección de cortocircuito
pueden efectuar también un disparo monopolar. También puede operar en combinación con
un reenganchador automático integrado (pedido opcional) con el cual se pueden realizar
diversos ciclos de reenganche automático como monopolar, tripolar o mono y tripolar en
35
comprobar la admisibilidad del reenganche mediante un control de tensión y/o de
sincronismo (pedido opcional).
Aparte de las funciones de protección de cortocircuito ya mencionadas se dispone de otras
funciones de protección adicionales, como por ejemplo: protección de sobretensión y
subtensión de varios escalones, protección de frecuencia, protección contra fallo del
interruptor, protección contra las oscilaciones de potencia (al mismo tiempo efectivo como
función de bloqueo por penduleo para la protección de distancia). Para una rápida detección
del lugar del fallo en la línea, después de un cortocircuito, se dispone de un localizador de
faltas integrado, que permite la compensación en caso de líneas paralelas.
Propiedades generales
¾ Sistema microprocesador de 32 bit de alta potencia.
¾ Tratamiento digital completo de los valores de medida y control desde el proceso de
muestreo y digitalización de las magnitudes de medida hasta la decisión de cierre o disparo
de los interruptores de potencia
¾ Aislamiento galvánico íntegro y libre de interferencias entre los circuitos internos de
elaboración y los circuitos de medida, control y alimentación de la instalación mediante
transformadores de medida, módulos de entrada/salida binarios y rectificadores de corriente
continua
¾ Amplio número de funciones, todas las normalmente requeridas para la protección de
línea
¾ Posibilidad de transmisión de señales binarias para esquemas de teleprotección con
control permanente contra fallos, interrupciones y divergencias de los tiempos de transmisión
en la red de comunicación con una adaptación automática a los tiempos de ejecución. ¾ Sistema de protección de distancia para máx. 3 extremos.
¾ Operaciones de servicio fáciles mediante el panel frontal integrado o mediante un PC
conectado utilizando software DIGSI.
¾ Memorización de avisos de perturbación como también de los valores instantáneos
para una perturbografía
36
¾ Protección para todo tipo de cortocircuitos en redes con neutro puesto a tierra,
compensado o aislado;
¾ Opcionalmente, característica de disparo poligonal o característica MHO;
¾ Diferenciación correcta entre condiciones de carga y condiciones de cortocircuito, también
en líneas de gran longitud y con sobrecarga;
¾ Alta sensibilidad durante el funcionamiento a baja carga, estabilidad muy alta frente a los
cambios bruscos de carga y oscilaciones de potencia;
¾ Adaptación efectiva a las condiciones de la línea mediante la característica de
¾ disparo poligonal con diversos parámetros configurables y „cono de carga“ (sección de la
posible impedancia de carga);
¾ 6 sistemas de medida para cada zona de distancia;
¾ 6 zonas de distancia, opcionalmente en dirección hacia adelante, hacia atrás o no
direccionales, una de ellas configurable como zona de sobrealcance; ¾ 9 escalones de tiempo para las zonas de distancia;
¾ Determinación direccional (para característica poligonal) o bien polarización (para
característica circular MHO) con tensiones ajenas al cortocircuito y memoria de tensiones,
por lo cual resulta una sensibilidad direccional sin límite y sin influencias de los procesos de
compensación capacitiva de los transformadores de tensión; ¾ Apropiado para líneas con compensación serie;
¾ Insensible en caso de saturación del transformador de intensidad; ¾ Posible compensación contra las influencias de una línea paralela;
¾ Tiempo mínimo de disparo aprox.17 ms (con fN = 50 Hz) o 15 ms (con fN = 60 Hz);
¾ Disparo de una fase segregada (conjuntamente con reenganche monopolar o tripolar y
reenganche automático);
¾ Disparo inmediato por cierre sobre falta;
37
2.4.2 Transmisión de datos de protección digital.
Si se desea complementar la protección de distancia con el esquema de teleprotección,
entonces los datos respectivos para esta función pueden ser transmitidos por los interfaces
para datos de protección utilizando vías de comunicación digital. La comunicación mediante
los interfaces de datos de protección también puede ser utilizada para otras informaciones.
Se pueden transmitir aparte de valores de medida, mandos binarios u otros tipos similares de
información. Si existen más de dos equipos (= extremos del objeto a proteger) y utilizando
interfaces de datos de protección opcionales, la comunicación puede ser establecida en
forma de anillo. Esto garantiza un funcionamiento redundante en caso de un fallo en una
línea de comunicación; En este caso, los equipos buscan automáticamente las vías de
comunicación, que se encuentran en buen estado. La comunicación puede ser duplicada con
el fin de crear redundancia también para una configuración de dos extremos.
2.4.3 Funciones de mando.
El equipo posibilita operaciones de mando, con las que se pueden abrir y cerrar los
elementos de maniobra mediante las teclas de operación, mediante el interface de sistema,
vía entradas binarias y mediante el PC y el software de configuración y análisis DIGSI. Con
los contactos auxiliares de los interruptores y las entradas binarias del equipo se registran los
retroavisos resultantes de los estados de conmutación. Con estos se pueden observar en el
equipo las posiciones actuales del interruptor y utilizarlas en el control de plausibilidad y
enclavamientos. El número de las unidades de mando a controlar está limitado solamente
por las entradas y salidas existentes del equipo y su configuración disponible para los
retroavisos de los estados de conmutación. Para cada elemento de maniobra se puede
asignar una entrada binaria (aviso simple) o dos (aviso doble). La autorización de una orden
de mando puede tener restricciones condicionadas a la autoridad de mando (remota o local)
y al modo de mando (con o sin enclavamiento, con o sin código de acceso). Las condiciones
de enclavamiento para las operaciones de mando (p.ej. protección fallo del interruptor)
